Untangling the Genome

遺伝子発現を制御するDNAループのダイナミクス

By Erez Lieberman Aiden

E. L. エイデン


Because I find it hard to relate to something as small as the structure of the human genome, I like to imagine it scaled up a millionfold. At this size, each DNA molecule—a chromosome—is as wide as a ramen noodle. Laid end to end, all 46 of the scaled-up chromosomes that compose a cell’s genome would stretch from New York to Kansas City, although they instead fold up to fit inside a structure the size of a house—the cell nucleus. Collectively, the 46 chromosomes contain two sets of roughly 20,000 genes. Each gene spells out a coded message telling the cell how to make a particular protein; at the millionfold scale, a gene is as long as a car.		ヒトゲノムの構造のように小さなものはイメージがつかみにくいので，私は100万倍に拡大して考えることにしている。そうすると，各DNA分子（つまり染色体）はラーメンの麺と同程度の太さになる。拡大した46本の染色体（これらで1つの細胞のゲノムを構成）を1本につなぐと全長はニューヨークからカンザスシティまでの距離（1800kmほど）になるが，実際には折りたたまれて大きさが1軒の家ほどの構造に納まっている。この家が細胞核だ。46本の染色体は合わせて約2万個の遺伝子を2セット含んでいる。それぞれの遺伝子には特定のタンパク質を作る方法を細胞に教えるメッセージが書き込まれている。100万倍に拡大した場合，1つの遺伝子は自動車くらいの長さとなる。
Peering into the nucleus, you would see the DNA doing a lot of wiggling. Back when I was a Ph.D. student about a decade ago, I was stirring the ramen noodles in my dinner and wondering how the genome, unlike my noodles, avoided tangling into a mess that would prevent its crucial genetic messages from being sent.		核の内部をのぞき込むと，DNAが盛んにくねって動いているのが見えるだろう。私は10年ほど前に博士課程の大学院生だったころ，夕食のラーメンをかき混ぜながら考えた。もしゲノムがラーメンのように絡まりあったら重要な遺伝子のメッセージを送り出せなくなるところだが，もつれずにすんでいるのはどういう仕組みによるのだろうか？
In 2014 my colleagues and I contributed one piece of the answer to this question, adding to a growing realization that the structure of the genome inside the nucleus is far from random. Our team at the Baylor College of Medicine, led by my students Suhas Rao, Miriam Huntley and Adrian Sanborn, found that the human genome folds in a way that forms about 10,000 loops. These loops obey a simple code, hidden in the sequence of the genome itself. They turn out to be ancient structures; many of the same loops occur in mice, a shared legacy from an ancestral species that lived more than 60 million years ago. This persistence through time suggests that the loops are important to survival.		2014年，私たちはこの謎の一部を解明し，核内のゲノム構造が無秩序とは程遠いというすでに広がりつつあった認識をさらに強めた。ベイラー医科大学の私の指導学生ラオ（Suhas Rao）とハントレー（Miriam Huntley），サンボーン（Adrian Sanborn）を中心とするチームは，ヒトゲノムが折りたたまれて約1万個のループを形成していることを発見した。これらのループはゲノム自体の配列に隠された簡単な規約に従っている。また，進化の歴史のなかで古くから存在してきた構造だと判明した。同じループの多くがマウスにも見られ，6000万年以上前にいた共通の祖先種から引き継いだ遺産だと考えられる。これほど長期にわたって保存されてきたということは，ループが生き残りに重要であることをうかがわせる。
The loops seem to help control gene activity. All cells have the same genes, but if the patterns of activity did not differ, the body could not exist: a heart muscle cell would be no different from a brain cell. Just how these distinctive patterns are orchestrated has been a puzzle. Loops now appear to be one of the pattern controllers, a conductor of the genetic orchestra, influencing when particular genes become active enough to affect cell function.		このようなループは遺伝子の発現調節を助けているらしい。人体を構成するすべての細胞は同じ遺伝子のセットを持っているが，各遺伝子の発現は細胞ごとに厳密に調節されている。その結果，心筋と神経はまったく違う性質を持ち，心臓や脳を作ることができる。このようにたくさんの遺伝子が協調的に制御されている仕組みは長い間謎だったが，DNAのループはその仕組みの一部であるようだ。つまり，遺伝子という奏者からなるオーケストラを統率する指揮者の一人が，DNAのループ構造だといってもよいだろう。